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使用運算放大器設計電路很難建立一種程式化模式，除了偶爾使用誤差預算。雖然模擬系統設計工程師對運算放大器有專門的考慮，但他們都是依靠經驗判斷哪些參數最終會導致問題。放大器的任務范圍包括從簡單的將信號源與負載隔離，到獲取增益、移動直流電平和加大負載電流。一旦電路中的任務確定，設計工程師就開始計算滿足這些任務要求的放大器參數。多數計算都很容易，即使對新手而言，計算運算放大器必須提供的電流值和需要的余量也十分簡單。但是還有很多其它參數會影響電路的性能，例如全功率帶寬、轉換速率、輸入失調電壓、偏置電流、失調電流、開環增益、共模抑制比(CMRR)以及允許的輸入差分電壓，這些僅是其中幾個參數。 由于很大程度上是依賴經驗察覺這些參數將導致性能受到影響，所以對新系統采用程式化模式設計容易產生偏差。例如，考慮一個從很窄的頻率帶寬變成很寬的頻率帶寬的設計。放大器不僅必須用全功率帶寬和轉換速率定義的效應來支持這個更高的絕對頻率，而且開環增益會隨著頻率的增大而減小，導致電路的增益在頻率端點處相差很大。盡管在窄帶條件下沒有發生問題，但是對于高頻寬帶應用增益誤差往往會導致問題出現。許多工程師在初次進行寬頻帶設計時都會忽略這個誤差。 圖1：設計工具：放大器參數評估工具。 許多人可能會提出反駁說可以使用SPICE來做仿真和觀察這種誤差。雖然使用SPICE是一種很好的嘗試，但是SPICE并不是萬能的。在這種情況下，仔細的工程師會使用交流分析方法觀察增益誤差在頻率端點處的差異。但這要在完成參數搜索、查看數據手冊和模型下載的過程之后才能進行。如果限制參數是轉換速率，那么在問題開始出現時，對標準瞬態分析進行視覺觀察根本就無法檢查出來。另外SPICE依賴于精確模型，如果轉換速率或主極點的模型不夠精確，那么要正確分析這些例子可能非常困難，或者不可能實現。Boyle宏觀模型，甚至更先進的建模方法通常也有折衷，這使得其難以實現所有參數的精確行為建模，這就牽扯到另外一個話題了。使用SPICE還存在其它一些嚴重的缺點。不是所有版本的SPICE都是通用的，因此該模型可能需要用戶調整，特別是處理多項聲明時。另外仿真的收斂也是一個問題，它會導致一些無法預計的結果。SPICE不提供關于哪些參數會導致問題的反饋。 發現典型設計流程存在的潛在缺陷和耗費時間的問題后，需要一種設計工具能夠在深入設計之前加速設計流程并且發現問題所在。美國模擬器件公司(ADI)最近推出的在線仿真工具恰好可滿足這一需求。他們的放大器參數評估工具(見圖1)允許電路設計工程師配置電路和信號源，選擇放大器并且評估該放大器在該電路中的性能。圖2a示出的電路波形只是說明轉換速率限制的初始情況。就像在SPICE中一樣，臨界轉換速率限制無法用眼睛觀察到。然而該設計工具中的交互消息指示了每一種標志情況的有用信息，包括它們的發生原因和解決方案。(圖2b所示的是轉換速率限制情況下的提示信息，正常情況下不提示)。該設計工具允許分別加上或者去除由于放大器有限的開環增益而產生的直流誤差和增益誤差，使用戶能更容易地檢查出誤差原因。當誤差原因未檢查出，但會導致嚴重后果時(大于1％滿量程輸出信號)，對話框中會出現提示信息以幫助用戶避免疏漏。 那么設計工具是如何工作和怎樣建模的呢？通過在服務器端執行數學模型代碼，美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW工具顯然能計算出該電路的響應。電路設計工程師只要使用一個標準的網絡瀏覽器就能設置該工具并且瀏覽其數學計算結果。設計工具根據每個放大器的參數及電路配置指示削波、電源限制、共模電壓和差分電壓限制、最小穩定閉環增益限制、最大輸出額定電流、帶寬限制、容性負載驅動能力和轉換速率限制。該設計工具利用另外的參數可評估失調電壓引起的直流誤差、偏置電流、失調電流、CMRR和電源抑制比(PSRR)，并且指明由于放大器開環增益響應和有限輸入阻抗造成的增益誤差。 巧妙地利用該設計工具可以提供一些設計過程中的其它捷徑。通過對增益誤差進行排除，余量有問題或轉換速率受限制的放大器能夠更快的被濾出。不是通過調整每個放大器的增益以補償這種影響后再觀察運算放大器的限制，而是通過先排除增益誤差以篩選出達到要求輸出信號范圍的放大器，然后僅調整這些放大器的增益以進一步評估。直流誤差以全正誤差和全負誤差出現，每種情況下都運行該模型，查看在這兩個供電電壓下余量是否足夠。面板式用戶界面有助于方便地打印出電路圖和任何相關問題以便用于設計文檔。 圖2：轉換速率限制下初始情況的。(a)信號波形；(b)提示信息。 配置電路后，“推薦放大器”工具可為這個具體電路搜索最匹配的運算放大器。另外，“推薦放大器”反饋所有用該設計工具建模的放大器的狀態，并將推薦的放大器列在表的頂端。這一功能允許工程師快速查看他現有的所有放大器的狀態，加快故障調試和樣板設計。實際上，該設計工具的使用者不必總是按常規方式搜索放大器。電路可以先設置成沒有運放，“推薦放大器”工具能很快地找出運放的最佳選擇，于是設計工程師就有了一到兩個具有很高的可信度的運放，然后就可繼續查看這些運放的數據手冊，進行仿真和樣板設計。 另一項工具“選擇向導”能幫助新手配置電路和選擇器件。通過簡單的選擇放大器反相端或同相端，設置其輸入和輸出范圍，指出最大頻率，該向導就可配置電路并且給出運算放大器的推薦。“選擇向導”是單步操作，可根據輸入和輸出范圍確定電平移位和輸入信號增益所需的所有無源元件值。 無論是新手還是專家為了設計電路或者快速檢查，采用ADI的放大器參數評估工具都能加快其放大器選擇過程，并且為采用該放大器從事電路設計的工程師增強信心。 |
